JP3144882B2 - Gyrotron oscillation tube - Google Patents
Gyrotron oscillation tubeInfo
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Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、ミリ波帯で大電力の電
磁波を出力するジャイロトロン発振管に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a gyrotron oscillation tube which outputs a high power electromagnetic wave in a millimeter wave band.
【０００２】[0002]
【従来の技術】近年、核融合炉のプラズマを加熱する手
段として電磁波を用いる方法が検討されている。核融合
炉のプラズマを加熱するには、周波数が100 ＧＨｚ以上
で、500 ｋＷ乃至1 ＭＷの電磁波を少なくとも数秒間発
生し得る発振管を必要とする。この条件を満たす発振管
として、モード変換器内蔵型のウィスパリングギャラリ
ーモードのジャイロトロン発振管が注目されている。2. Description of the Related Art In recent years, methods using electromagnetic waves as means for heating plasma in a nuclear fusion reactor have been studied. In order to heat the plasma of a fusion reactor, an oscillation tube which can generate an electromagnetic wave of 500 kW to 1 MW at a frequency of 100 GHz or more for at least several seconds is required. As a oscillating tube satisfying this condition, a gyrotron oscillating tube of a whispering gallery mode with a built-in mode converter has attracted attention.
【０００３】このジャイロトロン発振管は、発振モード
にウィスパリングギャラリーモードを使用し、管内部に
おいてモード変換器でウィスパリングギャラリーモード
からＴＥＭモードの電磁波に変換して出力するもので、
たとえば図２に示すように構成されている。This gyrotron oscillation tube uses a whispering gallery mode as an oscillation mode, converts the whispering gallery mode into an TEM mode electromagnetic wave with a mode converter inside the tube, and outputs the electromagnetic wave.
For example, it is configured as shown in FIG.
【０００４】すなわち、内部が真空状態に保たれた管本
体１の一端側にマグネトロン入射電子銃（以下、ＭＩＧ
と略称する。）２を装着している。また、管本体１の壁
でＭＩＧ２に対向する位置にＭＩＧ２から出射された電
子ビームを捕捉するコレクタ３を設けている。そして、
ＭＩＧ２とコレクタ３との間に、ＭＩＧ２側から順にビ
ームトンネル４、空胴共振器５と円筒テーパ導波管６か
らなる高周波回路７を設けている。That is, a magnetron incident electron gun (hereinafter referred to as MIG) is provided at one end of a tube main body 1 whose inside is maintained in a vacuum state.
Abbreviated as 2) is attached. Further, a collector 3 for capturing an electron beam emitted from the MIG 2 is provided at a position facing the MIG 2 on the wall of the tube main body 1. And
Between the MIG 2 and the collector 3, a high-frequency circuit 7 including a beam tunnel 4, a cavity resonator 5 and a cylindrical tapered waveguide 6 is provided in order from the MIG 2 side.
【０００５】円筒テーパ導波管６の出力端付近には、放
射器８および反射鏡９からなるモード変換器１０が配置
されている。モード変換器１０を介して放射される電磁
波の経路には、管本体１の内部から外部へと電磁波を導
く出力導波管１１が接続されており、この出力導波管１
１の先端部には出力窓１２が取り付けられている。[0005] A mode converter 10 comprising a radiator 8 and a reflecting mirror 9 is arranged near the output end of the cylindrical tapered waveguide 6. An output waveguide 11 for guiding an electromagnetic wave from inside to outside of the tube main body 1 is connected to a path of the electromagnetic wave radiated through the mode converter 10.
An output window 12 is attached to the front end of the device 1.
【０００６】ＭＩＧ２は、管本体１の内側に向けて突設
された陰極２１と、その回りに対向配置された円筒状の
陽極２２と、これらに磁界を印加するマグネット２３と
で構成されている。そして、陰極２１と陽極２２との
間、陽極２２とビームトンネル４およびコレクタ３との
間には、それぞれ高圧電源２５，２６が接続されてい
る。また、管本体１の回りで、空胴共振器５を囲む位置
にはマグネット２７が装着されている。なお、図中２４
は陰極２１を加熱するためのヒータ電源を示している。The MIG 2 is composed of a cathode 21 protruding toward the inside of the tube body 1, a cylindrical anode 22 disposed around the cathode 21 and a magnet 23 for applying a magnetic field thereto. . High-voltage power supplies 25 and 26 are connected between the cathode 21 and the anode 22 and between the anode 22 and the beam tunnel 4 and the collector 3, respectively. A magnet 27 is mounted around the tube body 1 at a position surrounding the cavity resonator 5. Note that 24 in the figure
Denotes a heater power supply for heating the cathode 21.
【０００７】このように構成されたジャイロトロン発振
管では次のような原理で電磁波を発生させる。すなわ
ち、ヒータ電源２４を投入するとともに高圧電源２５，
２６を投入すると、ＭＩＧ２から螺旋運動を行う円筒状
の電子ビームが出射する。この電子ビームは、マグネッ
ト２７によって形成されたミラー磁界のもとでサイクロ
トロン運動を行いながらビームトンネル４を通過して空
胴共振器５に入射する。The gyrotron oscillation tube configured as described above generates an electromagnetic wave according to the following principle. That is, when the heater power supply 24 is turned on, the high voltage power supply 25,
When 26 is inserted, a cylindrical electron beam performing a spiral motion is emitted from MIG2. This electron beam passes through the beam tunnel 4 and enters the cavity 5 while performing cyclotron motion under the mirror magnetic field formed by the magnet 27.
【０００８】空胴共振器５に入射した電子ビームは、空
胴共振器５内において高周波電界との相互作用により、
その運動エネルギの一部を高周波電界に与える。これに
よってウィスパリングギャラリーモードの電磁波が生成
される。エネルギを失った電子ビームは、円筒テーパ導
波管６と放射器８とを通過してコレクタ３に捕捉され
る。[0008] The electron beam incident on the cavity resonator 5 interacts with a high-frequency electric field in the cavity resonator 5,
A part of the kinetic energy is given to the high frequency electric field. As a result, an electromagnetic wave in the whispering gallery mode is generated. The electron beam that has lost energy passes through the cylindrical tapered waveguide 6 and the radiator 8 and is captured by the collector 3.
【０００９】一方、空胴共振器５において電子ビームと
高周波電界との相互作用によって発生した電磁波は、円
筒テーパ導波管６を通ってモード変換器１０に入射し、
放射器８から反射鏡９に向かって放射されて真空中を伝
搬するＴＥＭモードに変換される。ＴＥＭモードに変換
された電磁波は、出力窓１２を介して外部に放射され
る。On the other hand, an electromagnetic wave generated by the interaction between the electron beam and the high-frequency electric field in the cavity resonator 5 enters the mode converter 10 through the cylindrical tapered waveguide 6, and
The light is radiated from the radiator 8 toward the reflecting mirror 9 and converted into a TEM mode that propagates in a vacuum. The electromagnetic wave converted into the TEM mode is radiated outside through the output window 12.
【００１０】しかしながら、上記のように構成されたジ
ャイロトロン発振管にあっても次のような問題があっ
た。すなわち、このジャイロトロン発振管では、空胴共
振器５によって励振される電磁波の発振モードとして、
円筒導波管内の伝送モードであるＴＥmnモードのうち、
m に対してn が十分小さく、かつn =2〜3 のウィスパリ
ングギャラリーモードと呼ばれるモードが使用される。
一般に、これらのモードには動径方向に逆向きに回転す
る２つのモードが存在し、電子の旋回方向と同一方向に
回転するモードは(-) モード、逆方向に回転するモード
は(+) モードと呼ばれている。上述したジャイロトロン
発振管では、通常、(-) モードが発振モードとして使用
される。ウィスパリングギャラリーモードが使用される
理由は、電磁界のピークが空胴共振器５の壁面近くに存
在するため、他のモードとのモード競合が少なく、単一
モードでの発振が可能であるという利点による。However, the gyrotron oscillation tube configured as described above has the following problems. That is, in this gyrotron oscillation tube, the oscillation mode of the electromagnetic wave excited by the cavity resonator 5 is
Among TEmn modes, which are transmission modes in a cylindrical waveguide,
A mode called whispering gallery mode in which n is sufficiently smaller than m and n = 2 to 3 is used.
In general, these modes include two modes that rotate in the opposite direction in the radial direction. The mode that rotates in the same direction as the electron rotation direction is the (-) mode, and the mode that rotates in the opposite direction is (+). Called mode. In the gyrotron oscillation tube described above, the (-) mode is usually used as the oscillation mode. The reason why the whispering gallery mode is used is that since the peak of the electromagnetic field exists near the wall surface of the cavity resonator 5, mode competition with other modes is small, and oscillation in a single mode is possible. Depends on the benefits.
【００１１】しかし、ウィスパリングギャラリーモード
で使用すると、空胴共振器５の熱負荷が大きくなるとい
う欠点がある。すなわち、空胴共振器５の熱負荷は、円
形ＴＥmnモードの固有値をxmn としたとき、（xmn 2 −
m 2 ) 0.5 に反比例する。したがって、xmn 〜m のウィ
スパリングギャラリーモードは熱負荷の軽減には不向き
である。このため、1 ＭＷ連続発振を目標としているジ
ャイロトロン発振管において、現在採用されているm =1
5 までのウィスパリングギャラリーモードを使用する
と、空胴共振器５の熱負荷が大きくなり過ぎて対処でき
なくなる。However, when used in the whispering gallery mode, there is a disadvantage that the thermal load on the cavity resonator 5 increases. That is, when the eigenvalue of the circular TEmn mode is xmn, the heat load of the cavity resonator 5 is (xmn 2 −
m 2 ) 0.5 Is inversely proportional to Therefore, the whispering gallery mode of xmn to m is not suitable for reducing the heat load. For this reason, in a gyrotron oscillation tube aiming at 1 MW continuous oscillation, m = 1
When the whispering gallery mode up to 5 is used, the thermal load on the cavity 5 becomes too large to cope with.
【００１２】そこで、空胴共振器５の熱負荷を小さくす
るためには、さらに高次のウィスパリングギャラリーモ
ードを使用する必要がある。しかし、このような高次の
ウィスパリングギャラリーモードでは、ウィスパリング
ギャラリーモードといえどもモード競合が起こり、単一
モードでの発振が困難となる。In order to reduce the thermal load on the cavity 5, it is necessary to use a higher-order whispering gallery mode. However, in such a high-order whispering gallery mode, mode competition occurs even in the whispering gallery mode, and it becomes difficult to oscillate in a single mode.
【００１３】[0013]
【発明が解決しようとする課題】上述の如く、従来のジ
ャイロトロン発振管では、空胴共振器の熱負荷を小さく
するために、高次のウィスパリングギャラリーモードを
使用しようとすると、モード競合が起こり、単一モード
での発振が困難となる不具合があった。As described above, in the conventional gyrotron oscillation tube, if a high-order whispering gallery mode is used in order to reduce the thermal load of the cavity resonator, mode competition occurs. As a result, there was a problem that oscillation in a single mode became difficult.
【００１４】そこで本発明は、空胴共振器の熱負荷を小
さな値に抑えると同時にモード競合を少なくでき、もっ
て大出力化が可能なジャイロトロン発振管を提供するこ
とを目的としている。SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a gyrotron oscillation tube capable of suppressing the thermal load of the cavity resonator to a small value and at the same time reducing the mode competition and thereby increasing the output.
【００１５】[0015]
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係るジャイロトロン発振管では、空胴共振
器が、電子ビームの入射する側を基準にして順に配置さ
れた円筒テーパ導波管と、円筒直線導波管と、発振モー
ドの回転方向によって放射波または収束波のどちらかを
発生する放射型モード変換器と、反射鏡と、部分反射鏡
とで構成されている。In order to achieve the above object, in a gyrotron oscillation tube according to the present invention, a cavity resonator includes a cylindrical tapered waveguide arranged in order with respect to an electron beam incident side. It comprises a waveguide, a cylindrical linear waveguide, a radiation mode converter for generating either a radiation wave or a convergent wave depending on the rotation direction of the oscillation mode, a reflection mirror, and a partial reflection mirror.
【００１６】[0016]
【作用】このように構成されたジャイロトロン発振管で
は、放射型モード変換器において、放射波となる回転モ
ードに対しては部分反射鏡との間で共振状態が形成され
ないので、必要な回転モードだけを発振させることがで
きる。したがって、大電力で、かつ単一モードで安定に
発振させることが可能となる。In the gyrotron oscillation tube configured as described above, in the radiation type mode converter, a resonance mode is not formed between the partial reflection mirror and the rotation mode as a radiation wave. Can only oscillate. Therefore, it is possible to stably oscillate in a single mode with a large power.
【００１７】[0017]
【実施例】以下、図面を参照しながら実施例を説明す
る。Embodiments will be described below with reference to the drawings.
【００１８】図１には本発明の一実施例に係るジャイロ
トロン発振管が示されている。なお、この図では、図２
と同一機能部分が同一符号で示してある。したがって、
重複する部分の説明は省略する。このジャイロトロン発
振管が従来の発振管と異なる点は、空胴共振器４０の構
成にある。FIG. 1 shows a gyrotron oscillation tube according to an embodiment of the present invention. In this figure, FIG.
The same functional parts as those shown in FIG. Therefore,
The description of the overlapping part is omitted. The point that this gyrotron oscillation tube differs from the conventional oscillation tube is in the configuration of the cavity resonator 40.
【００１９】空胴共振器４０は、ビームトンネル４側か
ら順に配置された円筒テーパ導波管４１と、円筒直線導
波管４２と、放射型モード変換器４３と、反射鏡４４
と、周縁部だけが反射機能を有する部分反射鏡４５とで
構成されている。The cavity resonator 40 includes a cylindrical tapered waveguide 41, a cylindrical linear waveguide 42, a radiation mode converter 43, and a reflecting mirror 44, which are arranged in this order from the beam tunnel 4 side.
And a partial reflecting mirror 45 having only a peripheral portion having a reflecting function.
【００２０】このように構成された空胴共振器４０にお
いては、放射型モード変換器４３から出射する波が収束
波となる方向の回転モード場合に、放射型モード変換器
４３から出射した波が反射鏡４４によって部分反射鏡４
５の非反射部に収束され、一部が部分反射鏡４５の反射
部によって反射され、放射型モード変換器４３によって
導波管モードに変換されて円筒直線導波管４２と円筒テ
ーパ導波管４１に入射する。したがって、円筒テーパ導
波管４１の入り口で遮断条件を満たすモードの波に対し
ては共振器を構成する。In the cavity 40 configured as described above, in the case of the rotation mode in which the wave emitted from the radiation mode converter 43 becomes a convergent wave, the wave emitted from the radiation mode converter 43 is The partial reflecting mirror 4 by the reflecting mirror 44
5 is partially converged by the reflection part of the partial reflection mirror 45, converted into the waveguide mode by the radiation mode converter 43, and is converted into the cylindrical linear waveguide 42 and the cylindrical tapered waveguide. It is incident on 41. Therefore, a resonator is formed for a wave of a mode satisfying the cutoff condition at the entrance of the cylindrical tapered waveguide 41.
【００２１】一方、放射型モード変換器４３から出射す
る波が放射波となる方向の回転モードに場合には、放射
型モード変換器４３から出射した波が反射鏡４４を介し
ても収束されないので共振器を構成できない。On the other hand, when the wave emitted from the radiation type mode converter 43 is in the rotation mode in the direction in which the wave becomes a radiation wave, the wave emitted from the radiation type mode converter 43 is not converged even through the reflecting mirror 44, so that Resonator cannot be configured.
【００２２】このように空胴共振器４０を構成するとと
もに発振モードとしてウィスパリングギャラリーモード
の(-) モードを選ぶことによって、モード競合の少ない
単一モード発振の可能なジャイロトロン発振管を構成で
きる。すなわち、ウィスパリングギャラリーモードの
(-) モードを発振モードに選んだ場合、このモードとの
競合が厳しいモードは回転波の異なる(+) モードであ
る。たとえば、発振モードにＴＥ22,2(-) モードを選ん
だ場合には、競合モードはＴＥ15,4(+) モードとＴＥ1
2,5(+) モードとなるが、上述した空胴共振器４０で
は、これらの(+) モードに対しては共振状態を構成しな
いので、ＴＥ22,2(-) モードの単一発振が容易に得ら
れ、結局、大電力で安定に発振させることができる。By configuring the cavity 40 as described above and selecting the (-) mode of the whispering gallery mode as the oscillation mode, a gyrotron oscillation tube capable of single mode oscillation with less mode competition can be constituted. . In other words, the whispering gallery mode
When the (-) mode is selected as the oscillation mode, the mode that is severely in competition with this mode is the (+) mode with different rotating waves. For example, if the TE22,2 (-) mode is selected as the oscillation mode, the competitive modes are TE15,4 (+) mode and TE1
Although the mode becomes 2,5 (+) mode, the cavity 40 described above does not form a resonance state for these (+) modes, so that single oscillation of the TE22,2 (-) mode is easy. As a result, it is possible to oscillate stably with large power.
【００２３】[0023]
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
大電力化に適した高次のウィスパリングギャラリーモー
ドを発振モードに使用した場合でも、モード競合が少な
く、単一モードの発振が容易に得られるため、大電力
で、かつ安定に動作するジャイロトロン発振管を提供で
きる。As described above, according to the present invention,
A gyrotron that operates stably with high power because even if a higher-order whispering gallery mode suitable for higher power is used as the oscillation mode, there is little mode competition and single-mode oscillation can be easily obtained. An oscillation tube can be provided.
【図１】本発明の一実施例に係るジャィロトロン発振管
の概略断面図、FIG. 1 is a schematic sectional view of a gyrotron oscillation tube according to one embodiment of the present invention;
【図２】従来のジャィロトロン発振管の概略断面図。FIG. 2 is a schematic sectional view of a conventional gyrotron oscillation tube.
１…管本体 ２…マグネトロン
入射電子銃 ３…コレクタ ４…ビームトンネ
ル １２…透過窓 ２３，２７…マグ
ネット ４０…空胴共振器 ４１…円筒テーパ
導波管 ４２…円筒直線導波管 ４３…放射型モー
ド変換器 ４４…反射鏡 ４５…部分反射鏡DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Tube main body 2 ... Magnetron incidence electron gun 3 ... Collector 4 ... Beam tunnel 12 ... Transmission window 23, 27 ... Magnet 40 ... Cavity resonator 41 ... Cylindrical taper waveguide 42 ... Cylindrical linear waveguide 43 ... Radiation type Mode converter 44 ... Reflection mirror 45 ... Partial reflection mirror
Claims (1)
る電子銃と、前記電子ビームとの相互作用により電磁波
を発生する空胴共振器と、電子ビームを捕捉するための
コレクタと、前記空胴共振器で発生した電磁波を外部へ
導く手段とを備えたジャイロトロン発振管において、前
記空胴共振器は、前記電子ビームが入射する側を基準に
して順に配置された円筒テーパ導波管と、円筒直線導波
管と、放射型モード変換器と、反射鏡と、部分反射鏡と
で構成されていることを特徴とするジャイロトロン発振
管。An electron gun that forms and emits a helically moving electron beam; a cavity resonator that generates an electromagnetic wave by interaction with the electron beam; a collector for capturing the electron beam; In a gyrotron oscillation tube provided with means for guiding an electromagnetic wave generated by the cavity resonator to the outside, the cavity resonator has a cylindrical tapered waveguide arranged in order with respect to the side on which the electron beam is incident. A gyrotron oscillation tube comprising: a cylindrical linear waveguide; a radiation mode converter; a reflecting mirror; and a partial reflecting mirror.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP07694792A JP3144882B2 (en) | 1992-03-31 | 1992-03-31 | Gyrotron oscillation tube |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP07694792A JP3144882B2 (en) | 1992-03-31 | 1992-03-31 | Gyrotron oscillation tube |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05283013A JPH05283013A (en) | 1993-10-29 |
| JP3144882B2 true JP3144882B2 (en) | 2001-03-12 |
Family
ID=13619959
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP07694792A Expired - Lifetime JP3144882B2 (en) | 1992-03-31 | 1992-03-31 | Gyrotron oscillation tube |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3144882B2 (en) |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS60133421U (en) * | 1984-02-17 | 1985-09-05 | 日本電信電話株式会社 | fiber optic cable |
-
1992
- 1992-03-31 JP JP07694792A patent/JP3144882B2/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH05283013A (en) | 1993-10-29 |
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